濟(jì)源市人居環(huán)境氣候適宜性評價(jià)

劉 恒 胡玉梅 張鵬飛 馮瀟瀟 衛(wèi) 科 盧 彬

（濟(jì)源市氣象局 河南濟(jì)源 459000）

隨著城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)和人們對生活水平質(zhì)量的追求越來越高，城市的宜居性受到廣泛關(guān)注。氣象條件是構(gòu)成城市宜居性的一個(gè)主要因素，對城市規(guī)劃建設(shè)有著十分重要的影響[1]。如何評價(jià)一個(gè)城市的宜居水平，以及科學(xué)的評價(jià)結(jié)果將為宜居城市建設(shè)提供明確的發(fā)展方向和建設(shè)目標(biāo)[1-4]。濟(jì)源市地處河南西北部，南臨黃河，北依太行，屬暖溫帶季風(fēng)氣候，四季分明氣候溫和，旅游資源豐富，先后榮獲國家級森林城市、國家級園林城市、中國優(yōu)秀旅游城市等榮譽(yù)。隨著濟(jì)源產(chǎn)城融合示范區(qū)的成立，濟(jì)源迎來城市發(fā)展的新篇章，建設(shè)產(chǎn)城融合、城鄉(xiāng)一體、旅游富民的生態(tài)宜居城市成為未來城市發(fā)展建設(shè)的核心任務(wù)。本研究從氣候環(huán)境條件的角度著手，選取指標(biāo)因子對城市的宜居性進(jìn)行對比評價(jià)分析，旨在建立城市氣候環(huán)境宜居性評價(jià)體系，為濟(jì)源市宜居城市的建設(shè)提供參考。文中選用人體舒適度、溫濕指數(shù)、風(fēng)效指數(shù)等與生產(chǎn)生活較為密切的氣候環(huán)境因子作為評價(jià)體系的一級指標(biāo)。

1 資料與方法

1.1 資料來源

文章選用濟(jì)源市國家氣象觀測站（站號53978）1969—2019年逐日/月平均氣溫、日/月平均風(fēng)速、日/月平均相對濕度、日/月日照時(shí)數(shù)等常規(guī)氣象要素長序列數(shù)據(jù)，計(jì)算之前的逐日氣象數(shù)據(jù)，進(jìn)行質(zhì)量控制，對某日出現(xiàn)的氣象要素缺測值使用 1981—2010年的氣候平均數(shù)據(jù)代替。數(shù)據(jù)經(jīng)過質(zhì)量控制準(zhǔn)確可靠。季節(jié)劃分以12月—次年2月為冬季，3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季。

1.2 研究方法

氣候由多個(gè)氣象要素組成，各要素共同作用形成影響人體感受的大環(huán)境，本研究使用溫度、濕度、風(fēng)、日照等4個(gè)環(huán)境對人體影響最密切的氣象要素的不同模式組合，采用溫濕指數(shù)、風(fēng)效指數(shù)及人體舒適度指數(shù)等被廣泛應(yīng)用的評價(jià)因子為主要指標(biāo)，對近60年濟(jì)源市氣候適宜性進(jìn)行定量分析評價(jià)，利用一元線性方程進(jìn)行趨勢分析，并對趨勢系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

1.2.1 溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)

溫濕指數(shù)是指通過濕度與溫度的綜合作用來反映人體與周圍環(huán)境之間的熱量交換，其物理意義是濕度訂正以后的溫度[2]，計(jì)算公式如下：

式中THI 表示某一時(shí)段內(nèi)的溫濕指數(shù)，計(jì)算時(shí)保留一位小數(shù)。T 為該時(shí)段內(nèi)的平均氣溫（℃），RH 為該時(shí)段內(nèi)的平均相對濕度（%）。

風(fēng)效指數(shù)是描述人體對風(fēng)、溫度與日照綜合感受的指數(shù)，是氣候舒適度評價(jià)重要指標(biāo)之一[3]，計(jì)算公式如下：

式中K 表示某一時(shí)段內(nèi)的風(fēng)效指數(shù)，計(jì)算時(shí)取整數(shù)。V 為風(fēng)速（m/s），T 為溫度（℃），S 為日照時(shí)數(shù)（h/d）。溫濕指數(shù)與風(fēng)效指數(shù)計(jì)算時(shí)氣溫、相對濕度、風(fēng)速使用月平均值，日照時(shí)數(shù)使用日均值，其分級及人體感覺程度見表1。

1.2.2 人體舒適度指數(shù)

人體舒適度指數(shù)是建立在氣象要素預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上,較好地反映多數(shù)人群的身體感受綜合氣象指標(biāo)或參數(shù)。它在城市環(huán)境氣象服務(wù)中具有重要的地位，該指數(shù)體現(xiàn)了人體對空氣溫度、濕度等要素的感受，能反映氣溫、濕度、風(fēng)速等的綜合作用。具體計(jì)算方法如公式（3）所示[7]：

通過日平均氣溫和日平均相對濕度，以及月平均氣溫和月平均相對濕度四個(gè)指標(biāo)，可以求得日與月的舒適指數(shù)，按照標(biāo)準(zhǔn)，將人體舒適度指數(shù)劃分為9 個(gè)等級，如表2所示：

表1 溫濕指數(shù)、風(fēng)效指數(shù)級別劃分

表2 人體舒適度指數(shù)劃分

2 結(jié)果與分析

2.1 溫濕指數(shù)與風(fēng)效指數(shù)月分布

根據(jù)溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)的計(jì)算公式得出濟(jì)源市1—12月的溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)值見圖1：濟(jì)源市全年溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)均呈“U”形分布，且冬季均為最小值，春秋季逐漸增大，到夏季達(dá)到最大值。

各月溫濕指數(shù)與風(fēng)效指數(shù)的氣候傾向率如表3 所示，隨著近年來氣溫不斷升高，各月溫濕指數(shù)、風(fēng)效指數(shù)均呈明顯的上升趨勢（6月風(fēng)效指數(shù)呈下降趨勢）。溫濕指數(shù)中2月和3月變幅最大，每10年分別升高0.60 和0.64 ，6—8月指數(shù)升高幅度較小，上升范圍在每10年0.06 ~0.11 ，各月指數(shù)等級60年來均發(fā)生過轉(zhuǎn)變。風(fēng)效指數(shù)中11月到次年4月變化較大，上升范圍在14.10 ~21.78 。1—2月由冷涼風(fēng)轉(zhuǎn)向涼風(fēng)，3月和12月由涼風(fēng)轉(zhuǎn)向舒適風(fēng)，4月由舒適風(fēng)轉(zhuǎn)向暖風(fēng)，6—8月變化幅度最小，等級由暖風(fēng)轉(zhuǎn)向暖熱風(fēng)，各月舒適度均提升一個(gè)等級。

表3 溫濕指數(shù)、風(fēng)效指數(shù)各月氣候傾向率

按照表1 的分級指標(biāo)確定出各月平均溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)對應(yīng)的等級和感覺程度，見表4。就溫濕指數(shù)而言，每年4—6月，9—10月是舒適月份，其中4月和10月溫濕指數(shù)等級為a，人體感覺清涼，舒適；5月和9月等級為A，人體感覺為暖，舒適；6月等級為B，人體感覺偏熱，較舒適。1月等級為d，人體感覺極冷，極不舒適；2月和12月等級為c，人體感覺寒冷，不舒適；7—8月濟(jì)源氣溫較高，且為雨季，濕度較大，感覺悶熱，不舒適的月份。就風(fēng)效指數(shù)而言，3—4月以及9—10月等級為N，人體感覺舒適；冬季（12—2月）等級為a，人體感覺涼；5月和9月等級為A，人體感覺暖；6—8月等級為B，人體感覺暖熱。

綜合溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)對應(yīng)的感覺程度可以確定出氣候舒適程度（表4）?？芍谀硞€(gè)月份中，溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)必須為N、a、A 或B 時(shí)該月方可稱之為氣候舒適月[8]。因此，濟(jì)源市氣候舒適月為4—6月以及9—10月，該時(shí)段內(nèi)即為氣候舒適期，其中4月和10月最舒適，而1月舒適度最低。

表4 濟(jì)源市各月平均氣候舒適度

2.2 人體舒適度指數(shù)年變化與季變化

根據(jù)人體舒適度指標(biāo)的計(jì)算公式，利用濟(jì)源市1960—2019年平均氣象資料計(jì)算出濟(jì)源市年平均和各季節(jié)的舒適度指數(shù)，其年際變化曲線如圖2 所示：近60年濟(jì)源市年平均舒適度指數(shù)均在51 ~60 的范圍內(nèi)波動(dòng)，舒適等級均為涼爽（-1 級），歷年平均值為54.4，大部分人感覺較舒適，適合旅游。且近60年來濟(jì)源市年舒適度指數(shù)呈明顯的上升趨勢，增幅為0.47 /10 a，表明濟(jì)源市人體感覺向溫暖發(fā)展。其中舒適度指數(shù)最大值出現(xiàn)在2017年（56.6），最小的出現(xiàn)在1964年（51.8）。

從各季節(jié)舒適度指數(shù)的歷年變化可以看出春、夏、秋冬4 個(gè)季節(jié)的舒適度指數(shù)變化范圍分別是：51 ~58 ，71~75 ，53 ~58 ，29 ~40 。比較可知，夏季舒適度指數(shù)最高，表示天氣炎熱，人體感覺偏熱的天數(shù)多；冬季舒適度指數(shù)最低，表示人體感覺偏冷的天數(shù)多；春秋兩季的舒適度指數(shù)相近，且大小適中，表示人體感覺舒適的天數(shù)較多。四季的時(shí)間序列均變化特征基本一致，有較明顯的上升趨勢，與年平均舒適度指數(shù)變化趨勢相似。其中冬季上升趨勢最為明顯，春季次之，線性趨勢分別約為0.63 /10 a和0.62 /10 a。

2.3 人體舒適度指數(shù)月分布

從歷年各月平均舒適度指數(shù)分布情況來看（表5），濟(jì)源市全年舒適期較長，4—10月份為較舒適期（-1~1 級），無寒冷月份（-4 級）和偏熱以上月份（2~4 級）。

1月歷年平均（34.0）和2月歷年平均（37.6）舒適等級為偏冷（-3 級），其中近60年1月舒適度等級均為偏冷（-3 級），舒適度指數(shù)值最小的出現(xiàn)在1969年（26.9），最大的出現(xiàn)在2014年（39.4）。近60年2月舒適度等級中共有16年為偏涼（-2 級），舒適度指數(shù)值最大的出現(xiàn)在2004年（44.5），共44年等級為偏冷，指數(shù)值最小的出現(xiàn)在1964年（24.9），未出現(xiàn)寒冷（-4 級）等級。3月歷年平均（45.3）舒適等級為偏涼（-2 級），近60年中有2年為涼爽（-1級），分別出現(xiàn)在2014年（50.7）和2019年（50.6），1991年（40.0）為偏冷（-3 級）。4月歷年平均（54.8）舒適等級為涼爽（-1 級），舒適度指數(shù)值最大出現(xiàn)在 2016年（58.6），最小出現(xiàn)在1965年（50.5）。5月（63.1）和6月（69.9）歷年平均舒適等級為最舒適（0 級），其中1991年5月（59.9）為涼爽（-1 級），其余年份均為最舒適。6月有20年舒適等級為溫暖（1 級），舒適指數(shù)值最大的出現(xiàn)在2005年（71.78 ），有40年等級為最舒適，舒適指數(shù)值最小的出現(xiàn)在1971年（67.6）。7月（73.9）和8月（72.5）歷年平均舒適等級為溫暖（1 級），其中7月近60年舒適等級中共有11年為偏熱（2 級）。8月近60年舒適等級中共有2年為偏熱。其余為溫暖（1 級）。9月（64.7）歷年舒適等級為最舒適（0 級），舒適指數(shù)值最大的出現(xiàn)在1999年（67.9），最小的出現(xiàn)在2011年（61.5）。10月（55.8）舒適等級為涼爽（-1 級）。舒適指數(shù)值最大的出現(xiàn)在2006年（59.9），最小的出現(xiàn)在1968年（52 ）。11月（44.9）歷年平均舒適等級為偏涼（-2 級），其中1967年11月（39.2）為偏冷（-3級），其余年份為偏涼。12月歷年平均（36.6）舒適等級為偏冷（-3 級），歷年中有4年為偏冷（-2 級），其余為偏冷。

表5 各月舒適度指數(shù)和等級分布情況

2.4 舒適天數(shù)分布

使用公式（3）計(jì)算濟(jì)源市1960—2019年逐日人體舒適度指數(shù)，并按照表5 中的舒適度指數(shù)等級劃分，統(tǒng)計(jì)每個(gè)等級出現(xiàn)天數(shù)占總天數(shù)的比例，如圖1 和圖4 所示。濟(jì)源市處于最舒適（0 級）的天數(shù)最多，占比23.14 %；處于涼爽到暖和（-1~1 級）的天數(shù)占比53.60 %；多數(shù)人感覺較冷（-4~-2 級）的天數(shù)占比41.38 %，需要做好保暖措施，其中有0.09 %的天氣為寒冷到使人有凍傷危險(xiǎn)（-4 級）；多數(shù)人感覺較熱（2~4 級）的天數(shù)占比5.02 %，其中未出現(xiàn)酷熱使人有熱調(diào)節(jié)功能障礙的天氣（I級），有4.57 %的炎熱天氣使多數(shù)人感覺不舒適，有中暑危險(xiǎn)。

近60年來濟(jì)源市各舒適等級天數(shù)月平均分布情況如表6 所示。由此可以看出，濟(jì)源市偏冷天數(shù)只要出現(xiàn)在冬季（12—1月），偏冷天數(shù)最多的是1月和12月，分別達(dá)到了28.3 天和24.2 天。只有1月和2月分別有0.1 天和0.2 天的寒冷天數(shù)，其余月份無寒冷天數(shù)；偏涼天數(shù)最多的是春季3月和秋季11月，分別為19.2 天和19.3 天；涼爽天數(shù)最多的是春季4月和秋季10月，分別為19.2 天和21.9 天；最舒適天數(shù)出現(xiàn)最多的是春季5月和秋季9月，分別達(dá)到了22.4天和22.8 天，11月到2月無最舒適天數(shù)；溫暖天數(shù)主要出現(xiàn)在夏季（6—8月）。此外只有9月有0.1 天的溫暖天數(shù)，偏熱及炎熱天數(shù)集中在7月和8月，分別為10.5 天和6.6天，全年未出現(xiàn)酷熱天數(shù)。

表6 各月舒適天數(shù)分布表（單位：天）

結(jié)合近60年濟(jì)源市逐日最舒適日（0 級）、偏涼不舒適日及以上（≤ -2 級），偏熱不舒適日及以上（≥ +2 級）出現(xiàn)的頻次累積可知（圖略），最舒適日出現(xiàn)頻次較高的在4月下旬到7月中旬，以及8月中旬到10月上旬，其中以5月和9月最舒適日出現(xiàn)頻次最高，平均頻次分別為43.3 次和45.6 次，最高頻次為5月19日和5月28日的56 次。偏冷不舒適日出現(xiàn)頻次較高的時(shí)段為11月下旬到3月中旬，偏涼不舒適日出現(xiàn)頻次較高的時(shí)段為2月中旬到4月上旬，以及10月下旬到12月上旬，偏冷日和偏涼日出現(xiàn)的最高頻次分別為1月15日和1月18日的59 次，以及11月20日的50 次。偏熱不舒適日出現(xiàn)頻次較高的時(shí)段集中在6月下旬到8月中旬，其中7月頻次最高，平均頻次為18.7 次，最高頻次為7月24日和7月30日的29 次，炎熱日集中出現(xiàn)在7月中旬到8月上旬，其余月份無炎熱日。最高頻次為7月24日和8月3日的5 次。

為方便分析，將-1~1 級的天數(shù)合起來作為人體舒適天數(shù)，將-4~-1 級的天數(shù)合起來作為冷不舒適天數(shù)，2~4 級的天數(shù)合起來作為熱不舒適天數(shù)。從各舒適等級天數(shù)的年變化情況看（圖4），近60年濟(jì)源市受氣候變暖影響，導(dǎo)致年舒適天數(shù)呈現(xiàn)明顯的上升趨勢，每10年上升約2.8 天；年熱不舒適天數(shù)變化趨勢與年舒適天數(shù)趨勢一致，增幅約為每10年1.2 天；年冷不舒適天數(shù)變化趨勢與年熱不舒適天數(shù)變化趨勢相反，每10年減少約4.0 天，同時(shí)，這種變化趨勢是否會持續(xù)值得關(guān)注。

3 總結(jié)與思考

（1）采用溫濕指數(shù)和風(fēng)效指數(shù)綜合評價(jià)濟(jì)源市氣候舒適度，分析發(fā)現(xiàn)濟(jì)源市氣候舒適期為4—6月及9—10月，溫濕指數(shù)I值介于62.9～76.5之間，風(fēng)效指數(shù)K介于-276 ～-33 之間。

（2）以人體舒適度指數(shù)評價(jià)濟(jì)源市氣候舒適度發(fā)現(xiàn)，4—10月份為較舒適期（-1～1 級），全年無寒冷月份（-4級）和偏熱級以上月份（2～4 級）。月平均人體舒適度指數(shù)介于34.0～73.9 之間。

（3）濟(jì)源市全年處于涼爽到緩和等級（-1～1 級）的天數(shù)占比53.60%，其中處于最舒適等級（0 級）的天數(shù)占比23.14%；處于較冷及以上等級（-4～-2 級）的天數(shù)占比41.38%；處于較熱及以上等級（2～4 級）的天數(shù)占比5.02%。

（4）近60年來，濟(jì)源市年舒適天數(shù)呈明顯上升趨勢，每10年上升約2.8 天；年熱不舒適天數(shù)每10年上升1.2 天；年冷不舒適天數(shù)每10年減少4.0 天。